一种提高弱电网条件下双馈风电机组稳定性的控制方法与流程

本发明属于双馈风电机组并网控制技术领域。

背景技术：

由于风电场大多地处偏远，远离负荷中心，所以大规模风电需经远距离输电，电网阻抗较大形成弱电网，并且并网点电压存在畸变、谐波等各种扰动，进而影响并网系统的稳定性，因此如何消除并网点电压畸变、谐波和扰动成为目前研究的一个热点。

在实际工作中，双馈风电机组是目前应用最广泛的风力发电机组类型。有研究表明：弱电网条件下电网电压扰动会影响到双馈风电机组的锁相环，将电网电压的扰动传送至双馈风电机组的控制系统，进而影响双馈风电机组的稳定性。针对该问题，目前提高弱电网条件下双馈风电机组稳定性的方法主要分为两大类。一类是利用facts装置来提高系统的稳定性，该类方法需要修改硬件线路，硬件投资成本较高，而且灵活性不够高。另一类是改进双馈风电机组变流器的矢量控制，目前应用较广，常用的有虚拟阻抗、有源阻尼、改进的电压前馈控制方法等。其中，虚拟阻抗方法是通过控制环节模拟阻抗的特性来改变系统的输出阻抗；有源阻尼是通过采集电路中的电压、电流和功率等并通过一定的传递函数来提高系统的阻尼；改进的电压前馈是通过电网电压扰动补偿来提高并网系统的稳定性。现有的电网电压扰动补偿方法大都只采用转子一侧补偿，而且没有考虑锁相环对补偿效果的影响，此外由于直流母线的耦合作用，致使网侧电网电压扰动的补偿也会产生影响。因此，在弱电网条件下，双馈风电机组易出现振荡及不稳定的问题。

技术实现要素：

本发明是为了解决在弱电网条件下，双馈风电机组易出现振荡及不稳定的问题，现提供一种提高弱电网条件下双馈风电机组稳定性的控制方法。

一种提高弱电网条件下双馈风电机组稳定性的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：分别采集发电机定子绕组的定子电流信号is_abc、定子电压信号us_abc、发电机转子绕组的转子电流信号ir_abc、网侧电流信号il_abc和网侧电压信号ul_abc；

步骤二：根据锁相环输出的相角θ，将定子电流信号is_abc、定子电压信号us_abc、转子电流信号ir_abc、网侧电流信号il_abc和网侧电压信号ul_abc经过坐标变换，分别获得同步旋转坐标系下的定子电流信号is_dq、定子电压信号us_dq、转子电流信号ir_dq、网侧电流信号il_dq和网侧电压信号的d轴分量ul_d；

步骤三：分别提取定子电流信号is_dq的d、q轴稳态值isd0和isq0、转子电流信号ir_dq的d、q轴稳态值ird0和irq0、网侧电流信号il_dq的d轴稳态值ild0，

分别提取定子电压信号us_dq的d轴稳态值usd0和d、q轴扰动分量

提取网侧电压信号的d轴分量ul_d的稳态值uld0；

步骤四：将isd0、isq0、ird0和irq0与转子侧电流环、功率环和锁相环pi调节器进行线性组合，然后经过比例放大器，分别获得转子侧补偿信号的d、q轴补偿系数和

将ild0和uld0与网侧电流环、电压环和锁相环pi调节器进行线性组合，然后经过比例放大器，获得网侧补偿信号的补偿系数

步骤五：将与相乘获得转子侧d轴补偿信号，并附加到转子侧电流控制器输出电压信号的d轴分量中，

将与相乘获得转子侧q轴补偿信号，并附加到转子侧电流控制器输出电压信号的q轴分量中，

将与相乘获得网侧补偿信号，并附加到网侧电流控制器输出电压信号的q轴分量中，完成电网电压扰动协同补偿控制。

具体的，上述步骤一中，

利用双馈发电机定子绕组的定子电流传感器采集定子电流信号is_abc，利用双馈发电机定子绕组的定子电压传感器采集定子电压信号us_abc，利用双馈发电机转子绕组的转子电流传感器采集转子电流信号ir_abc，利用双馈发电机网侧变流器电流传感器采集网侧电流信号il_abc。

具体的，通过一阶低通滤波器提取usd0、isd0、isq0、ird0、irq0、ild0和uld0，通过一阶高通滤波器提取和

具体的，上述一阶低通滤波器的传递函数表达式为：

一阶高通滤波器的传递函数表达式为：

其中，ghpf表示高通滤波器传递函数、glpf表示低通滤波器传递函数、s表示复变量。

具体的，步骤四中，

转子侧补偿信号的d轴补偿系数为：

转子侧补偿信号的q轴补偿系数为：

网侧补偿信号的补偿系数为：

gpi1＝kp_ir+ki_ir/s表示转子侧电流环的pi控制器、gpi2＝kp_pq+ki_pq/s表示转子侧功率环的pi控制器、gpi3＝kp_il+ki_il/s表示网侧电流环的pi控制器、hpll＝kp_pll+ki_pll/s表示锁相环的pi控制器、表示锁相环的闭环传递函数，

kr表示转子侧比例系数、kg表示网侧比例系数、kp_ir表示转子侧电流环比例系数、ki_ir表示转子侧电流环积分系数、kp_pq表示转子侧功率环比例系数、ki_pq表示转子侧功率环积分系数、kp_il表示网侧电流环比例系数、ki_il表示网侧电流环积分系数。

具体的，步骤五中，

附加了转子侧d轴补偿信号的转子侧电流控制器输出电压信号的d轴分量urd为：

附加了转子侧q轴补偿信号的转子侧电流控制器输出电压信号的q轴分量urq为：

ird_ref和irq_ref分别表示转子电流给定值的d、q轴分量、ird和irq分别表示转子电流的d、q轴分量、lr和lm分别表示转子自感和定转子互感、isd和isq分别表示定子电流的d、q轴分量、usd和usq分别表示定子电压的d、q轴分量、ω2表示转子电流角频率。

具体的，步骤五中，

附加了网侧补偿信号的网侧电流控制器输出电压信号的q轴分量ulq为：

ild_ref和ilq_ref分别表示网侧电流给定值的d、q轴分量、ild和ilq分别表示网侧变流器电流的d、q轴分量、ω表示电网电压角频率、l表示网侧变流器滤波电感。

本发明提供了一种弱电网条件下双馈风电机组转子侧和网侧电网电压扰动协同补偿控制方法来提高并网系统的稳定性，主要特点是综合考虑双馈风电机组变流器内环控制器、外环控制器和锁相环的动态特性得到了一个更加精确的电网电压扰动补偿系数，而且在转子侧和网侧同时附加电网电压扰动的补偿，可有效提高双馈风电机组在弱电网条件下的稳定性。本发明可以通过调节转子侧和网侧比例放大器的系数大小来灵活实现不同的补偿效果，使用简单方便，可有效提高双馈风电机组在不同工况下的稳定性。而且本发明补偿系数中对应的各电路变量的稳态值都是原来控制系统中的测量的物理量，不需要增加额外的传感器，有助于节约成本。

附图说明

图1为双馈风电机组系统的结构框图；

图2为双馈风电机组转子侧变流器的控制原理框图，其中，qs_ref为定子无功功率给定值、qs为定子输出的无功功率、ps_ref为定子有功功率给定值、ps为定子输出的有功功率；

图3为双馈风电机组网侧变流器的控制原理框图，其中，kp_dc为直流电压环比例系数、ki_pc为直流电压环积分系数；

图4为双馈风电机组转子侧附加补偿控制原理框图；

图5为双馈风电机组网侧附加补偿控制原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至5具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种提高弱电网条件下双馈风电机组稳定性的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：采集双馈发电机组中的各个参数，具体如下：

利用双馈发电机定子绕组的定子电流传感器采集定子电流信号is_abc，

利用双馈发电机定子绕组的定子电压传感器采集定子电压信号us_abc，

利用双馈发电机转子绕组的转子电流传感器采集转子电流信号ir_abc，

利用双馈发电机网侧变流器电流传感器采集网侧电流信号il_abc，

利用双馈发电机网侧变流器电压传感器采集网侧电压信号ul_abc。

步骤二：根据锁相环输出的相角θ，将定子电流信号is_abc、定子电压信号us_abc、转子电流信号ir_abc、网侧电流信号il_abc和网侧电压信号ul_abc经过坐标变换，分别获得同步旋转坐标系下的定子电流信号is_dq、定子电压信号us_dq、转子电流信号ir_dq、网侧电流信号il_dq和网侧电压信号的d轴分量ul_d。

步骤三：通过一阶低通滤波器分别提取定子电压信号us_dq的d轴稳态值usd0、定子电流信号is_dq的d、q轴稳态值isd0和isq0、转子电流信号ir_dq的d、q轴稳态值ird0和irq0、网侧电流信号il_dq的d轴稳态值ild0、网侧电压信号的d轴分量ul_d的稳态值uld0；

通过一阶高通滤波器分别提取定子电压信号us_dq的d、q轴扰动分量以滤除直流分量。

上述一阶低通滤波器的传递函数表达式为：

上述一阶高通滤波器的传递函数表达式为：

其中，ghpf表示高通滤波器传递函数、glpf表示低通滤波器传递函数、s表示复变量。

步骤四：将isd0、isq0、ird0和irq0与转子侧电流环、功率环和锁相环pi调节器进行线性组合，然后经过比例放大器，分别获得转子侧补偿信号的d、q轴补偿系数和具体公式如下：

转子侧补偿信号的d轴补偿系数为：

转子侧补偿信号的q轴补偿系数为：

将ild0和uld0与网侧电流环、电压环和锁相环pi调节器进行线性组合，然后经过比例放大器，获得网侧补偿信号的补偿系数

网侧补偿信号的补偿系数为：

gpi1＝kp_ir+ki_ir/s表示转子侧电流环的pi控制器、gpi2＝kp_pq+ki_pq/s表示转子侧功率环的pi控制器、gpi3＝kp_il+ki_il/s表示网侧电流环的pi控制器、hpll＝kp_pll+ki_pll/s表示锁相环的pi控制器、表示锁相环的闭环传递函数，

kr表示转子侧比例系数、kg表示网侧比例系数、kp_ir表示转子侧电流环比例系数、ki_ir表示转子侧电流环积分系数、kp_pq表示转子侧功率环比例系数、ki_pq表示转子侧功率环积分系数、kp_il表示网侧电流环比例系数、ki_il表示网侧电流环积分系数。

步骤五：如图4所示，将与相乘获得转子侧d轴补偿信号，并附加到转子侧电流控制器输出电压信号的d轴分量中，附加了转子侧d轴补偿信号的转子侧电流控制器输出电压信号的d轴分量urd为：

将与相乘获得转子侧q轴补偿信号，并附加到转子侧电流控制器输出电压信号的q轴分量中，附加了转子侧q轴补偿信号的转子侧电流控制器输出电压信号的q轴分量urq为：

如图5所示，将与相乘获得网侧补偿信号，并附加到网侧电流控制器输出电压信号的q轴分量中，附加了网侧补偿信号的网侧电流控制器输出电压信号的q轴分量ulq为：

网侧电流控制器输出电压信号的q轴分量uld为：

uld＝-gpi3(ild_ref-ild)+ωlilq。

上述公式中，ird_ref和irq_ref分别表示转子电流给定值的d、q轴分量，ird和irq分别表示转子电流的d、q轴分量，isd和isq分别表示定子电流的d、q轴分量，usd和usq分别表示定子电压的d、q轴分量，ild_ref和ilq_ref分别表示网侧电流给定值的d、q轴分量，ild和ilq分别表示网侧变流器电流的d、q轴分量，ω表示电网电压角频率、ω2表示转子电流角频率，l、lr和lm分别表示网侧变流器滤波电感、转子自感和定转子互感，ghpf表示高通滤波器传递函数。